Электрический расчет и автоматизация электротермической установки

ФГОУ ВПО

Костромская ГСХА

Кафедра электропривода и электротехнологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

по электротехнологии

НА ТЕМУ:

«Электрический расчет и автоматизация электротермической установки.»

Выполнил: студент факультета

электрификации и автоматизации

736б группы Лузик А.С.

Проверил: Новожилов Ф.А.

Кострома 2009

Аннотация

В курсовой работе выполнены расчеты нагревательных элементов для: электро-калорифера, бытового тепловентилятора, проточного электроводонагревателя приближенным методом по рабочему току. Произведен расчет нихромовой спирали бытового тепловентилятора по удельной мощности и сравнение результатов расчетов с предыдущими. Приведен обзор материалов, используемых при изготовлении нагревателей (электрокалорифера, проточного водонагревателя) и конструктивные особенности ЭТУ. Рассмотрены симметричные и неполнофазные режимы трехфазного электрокалорифера для различных схем их включения. В разделе по автоматизации электрокалорифера принята базовая принципиальная схема установки и рассмотрены варианты ее усовершенствования. Даны основные положения техники безопасности при эксплуатации электрокалорифера.

Пояснительная записка содержит 27 страниц, 8 иллюстраций, 1 график, 5 таблиц. Библиографический список содержит 7 источников. Графический материал содержит один лист формата А1.

Электричество в настоящее время — основная энергетическая база животноводства, птицеводства, ремонтного производства, стационарных процессов растениеводства. Уровень электровооружённости труда определяет рост производительности труда в этих областях.

В развитии сельской электрификации всё большее внимание уделяется надёжности электроснабжения, рациональному использованию электроэнергии, безаварийной эксплуатации электрооборудования, а также внедрению процессов и установок, в которых электроэнергия применяется не только как энергоноситель, но и как технологический фактор. В последнем случае речь идёт об электротехнологии.

Под электротехнологией понимают область науки и техники, охватывающую изучение и использование технологических процессов, в которых электрическая энергия участвует непосредственно, преобразуясь в рабочей зоне в тепловую, электромагнитную, химическую, механическую и в другие виды энергии.

Сельское хозяйство — крупный потребитель тепловой энергии: в общем энергопотреблении приходится на тепловые процессы. Существует несколько способов преобразования электрической энергии в тепловую, которые различаются по нескольким признакам: по виду «греющего» электрического тока или электромагнитной волны, по способу создания электрического тока или электромагнитной волны и по частоте тока или поля.

По этим признакам в настоящее время различают следующие способы электрического нагрева: сопротивлением, дуговой нагрев, индукционный нагрев, диэлектрический, электролучевой, лазерный, ионный, плазменный, инфракрасный и термоэлектрический нагрев.

Электронагрев в с/х. используется для: подогрева воды для технических нужд, подогрева воздуха в установках микроклимата, обогрева с/х животных и птицы, подогрева почвы и воздуха в парниках и теплицах, сушки зерна, сена, овощей, фруктов, санитарно-гигиенической обработки животных и оборудования и т. д.

Для этих целей используют выпускаемые нашей промышленностью электротермическое оборудование сельскохозяйственного назначения: комбинированные инфракрасные и ультрафиолетовые облучательных установки, инфракрасные облучатели, брудеры, электронагреватели — термосы, проточные электродные и элементные водонагреватели, электродные паровые котлы, электрообогреваемые панели, коврики, электрокалориферные установки и специальный нагревательный провод. Количество и мощность ЭТУ в с/х производстве непрерывно увеличиваются. Большим потенциальным потребителем электронагрева должны стать растениеводство и плодоводство (обогрев парников и теплиц, термообработка продукции).

Таблица 1. Классификация электротермического оборудования по способу нагрева.

1. Материалы, применяемые при изготовлении электрокалорифера и проточного электроводонагревателя

1.1 Конструкция нагревателей

Электрический нагреватель — основной элемент электротермической установки, преобразующий электрическую энергию в тепловую. Конструктивное исполнение электрического нагревателя определяется нагреваемой средой, характером нагрева, мощностью, технологическим назначением и другими условиями.

В зависимости от конструкции и технологического назначения электрические нагреватели выполняют с электрической изоляцией, защитными устройствами, а также с устройством для крепления и подвода электрического тока.

По исполнению различают открытые, защищенные и герметические нагреватели.

В нагревателях открытого исполнения резистивное тело — нагревательное сопротивление не изолируют от нагреваемой среды, а размещают непосредственно в ней.

Нагреватели из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением изготовляют в виде проволочных или ленточных зигзагов, проволочных спиралей и крепят на керамических стержнях, трубах или изоляторах в воздушном потоке (электрокалориферы) или в воздушном пространстве (электропечи) электротермических установок.

Достоинство открытых нагревателей— простота устройства, ремонтоспособность и возможность обеспечения высокого коэффициента теплоотдачи с поверхности нагревательного элемента. К недостаткам следует отнести сравнительно низкий срок службы, невысокую механическую прочность и невозможность использования в агрессивных средах.

В нагревателях защищенного исполнения нагревательные сопротивления, изготовляемые из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, размещают в защитном корпусе, предохраняющем их от механических повреждений и от нагревательной среды.

Наиболее совершенными и универсальными являются герметические трубчатые электронагреватели (ТЭН). Их эффективно используют в электрокалориферах, водонагревателях, электрических печах, теплоаккумулирующих установках, электрокипятильниках, бытовых плитах и др. Промышленность выпускает ТЭН напряжением от 12 до 380 В, мощностью от 100 до 25 000 Вт, развернутой длиной от 0.25 до 6.3 м и диаметром трубки от 6 до 16 мм.

ТЭН (рис.1) представляет собой тонкостенную металлическую трубку 6 (оболочку), в которую запрессована спираль из проволоки 4 с большим удельным электрическим сопротивлением. Концы спирали приварены к контактным стержням 3, снабженным с внешней стороны контактными устройствами 1,2 для подключения к сети. Спираль изолируется от стенок трубки наполнителем 5 из периклаза (плавленная окись магния), обладающим высокими диэлектрическими свойствами и теплопроводностью. В качестве наполнителя допускается использовать кварцевый песок, электрокорунд и другие материалы. Торцы трубки герметизируют тепловлагостойким составом и изолирующими втулками 7, что исключает доступ воздуха и влаги внутрь ТЭН.

Рис. 1 — 1 и 2 — контактное устройство; 3 — контактный стержень; 4- нагревательная спираль; 5 — накопитель (периклаз); 6 — оболочка (трубка) ТЭН;

Таблица 2. Основные характеристики ТЭНов.

В качестве нагревательных сопротивления ПЭН используют металлическую фольгу, уложенную в виде ткани; полупроводниковые и композиционные материалы. Для ПЭН более перспективны композиционные материалы, состоящие из двух и более компонентов. В композиционных ПЭН нагревательные сопротивления изготовляют из графитизированного или металлического материала в виде токопроводящей ткани. Наиболее распространена углеграфитовая ткань УТТ-2 с допустимой температурой на поверхности до 463 К.

Таблица 3. Коэффициент монтажа К_м для электронагревателей сопротивления (в спокойном воздухе).

Таблица 4. Коэффициент среды К_с для различных условий.

2. Материалы для электрических нагревателей и требования, предъявляемые к ним

Нагревательное сопротивление-резистивное тело, наиболее ответственный элемент электрического нагревателя, от которого зависит надежность и долговечность его работы в заданном технологическом режиме. Поэтому к материалам для нагревательных элементов предьявляются особые требования, основанные на следующих: достаточные жаростойкость и жаропрочность (не должны окислятся и терять механических свойств при высоких температурах); большое удельное электрическое сопротивление (должны обеспечивать возможность включения на сетевое напряжение при небольшой длинне нагревателя) и малый температурный коэффициент сопротивления (должны незначительно изменять сопротивление при изменении температуры); стабильность размеров и электрических свойств .

В зависимости от температурного режима и технологических условий нагреваемой cреды для изготовления электрических нагревателей используют металлические и неметаллические материалы. Для низкои средне-температурных установок широко применяют специальные сплавы: хромоникелевые и железохромоникелевые. Наиболее распространены нихромы. В низкотемпературных установках (до 620 К) электрические нагреватели выполняют из дешевого и доступного материала — углеродистой стали. Неметаллические нагреватели используют нагреваватели используют в высокотемпературных установок. В ЭТУ с рабочей температурой до 1570 К применяют стержневые цилиндрические нагреватели из карборунда, а с температурой до 1870 К — из дисилицида молибдена. В высокотемпературных вакуумных печах с температурой нагрева до 3270 К используют графитовые нагреватели в виде стержней, трубок, пластин и другой формы.

Электрические нагреватели из карборунда, дисилицида и графита обладают высоким сопротивлением и переменными температурным коэффициентом сопротивления. Питание на эти нагреватели подается от понижающего трансформаторов с регулируемым вторичным напряжением.

В качестве электроизоляционного наполнителя ТЭНов используется периклаз (плавленый оксид магния, который получают в дуговых электропечах, плавкой магнийсодержащих веществ). К данному наполнителю предъявляются следующие требования:

— низкая удельная электропроводимость;

— высокая электрическая прочность;

— химическая нейтральность;

— достаточно высокий коэффициент теплопроводности;

— низкая влагопоглащаемость;

— достаточная сыпучесть.

В качестве оболочек ТЭНов используют тонкостенные металлические трубы (латунные, алюминиевые, стальные) Латунь — до 250 C;

Алюминий — до 350 C;

Углеродистая сталь — до 450 C;

Нержавеющая сталь — до 750 C;

Основным требованием предъявляемым к оболочке является механическая прочность, для защиты нагревательного элемента от механических повреждений.

Для повышения долговечности нагревателей применяют защитные покрытия (хромникелевые и др.). Такие покрития увеличивают ресурс нагревателей в несколько раз при работе в водных растворах.

Для герметизации ТЭНов прииеняют:

— кремнийорганические лаки и эмали;

— эпоксидные герметики;

— битумную мастику;

— легкоплавкое стекло.

3. Расчеты симметричных и неполнофазных режимов трехфазной ЭТУ (электрокалорифера)

Регулировать мощность электрической нагревательной установки мы будем, изменяя схему включения нагревателей.

Рассчитаем варианты регулирования для электрического калорифера.

U=220 ВP=1000 Втt₀=20 _p8С

3.1 Двойной треугольник

Рис. 3. Двойной треугольник.

а) При данной схеме включения каждый нагреватель находится под номинальным напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Так как двойной треугольник содержит шесть нагревательных элементов, то общая мощность равна:

Вт б) При обрыве линейного провода в точке, А (см. рис.3) под напряжением остаются все шесть нагревательных элементов, но четыре из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:

Вт Полная мощность тогда получается:

Вт где n1 — количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.;

P₁ — мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.

в) При обрыве фазы в точках В (см. рис.3) мы получаем, что два нагревателя не включены вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет четыре.

Вт

3.2 Звезда

Рис. 4. Звезда

а) При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное. Так как — то если напряжение уменьшить в раз, то, мощность, выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза. Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:

Вт

б) При обрыве линейного или фазного провода в точке, А (см. рис.4) в работе оказываются только два нагревателя и включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:

Вт

3.3Треугольник

Рис. 5. Треугольник

а) При данной схеме включения каждый нагреватель находится под

номинальным напряжением, а значит будет отдавать полную мощность. Данная схема содержит три нагревательных элемента.

Вт

б) При обрыве линейного провода в точке, А (см. рис.5) под напряжением остаются все три нагревательных элементов, но два из них только под напряжением равным половине номинального. Следовательно, мощность, выделяемая на одном элементе, получается равная:

Вт Полная мощность тогда получается:

Вт где n1 — количество нагревателей находящихся не под номинальным напряжением, шт.; P₁ — мощность, отдаваемая нагревателем, находящимся не под номинальным напряжением, Вт.

в) При обрыве фазы в точке В (см. рис. 5) мы получаем, что один нагревателя не включен вообще, а остальные находятся под номинальным напряжением. Следовательно, число нагревателей в работе будет два.

Вт

3.4 Двойная звезда

Рис. 6. Двойная звезда а) При включении нагревателей по схеме звезда, каждый нагреватель находится под фазным напряжением. Следовательно, нагреватели включены на напряжение равное. Так как-то если напряжение уменьшить в раз, то мощность выделяемая на нагревательном элементе получается меньше в 3 раза. Следовательно, полная мощность, отдаваемая схемой, вычисляется по формуле:

Вт б) При обрыве линейного или фазного провода в точке, А (см. рис.6) в работе оказываются только четыре нагревателя и включены они на половину линейного напряжения, следовательно, мощность, выделяемая ими, вычисляется так:

Вт

3.5 Последовательный треугольник

а) При включении нагревателей по такой схеме каждый нагреватель находится под напряжением равным половине номинального, а следовательно, мощность на каждом нагревателе уменьшается в четыре раза. Полная мощность нагревателя включенного по такой схеме вычисляется так:

Вт

Рис. 7. Последовательный треугольник

б) При обрыве линейного провода в точке, А (см. рис.7) у нас получается, что четыре нагревателя включены на четвертую часть номинального напряжения, а два — на половину. Мощность, отдаваемая в этом случае, вычисляется по формуле:

Вт

в) При обрыве фазы в точке В (см. рис. 7) у нас два нагревателя не участвуют в работе, а следовательно, в работе участвуют четыре нагревателя включенных на половинное напряжение. Полная мощность в этом случае вычисляется следующим образом:

Вт

3.6 Последовательная звезда

Рис. 8. Последовательная звезда

а) При включении нагревателей по такой схеме каждый нагреватель находится под напряжением равным, а следовательно, мощность на каждом нагревателе уменьшается в раза. Полная мощность нагревателя включенного по такой схеме вычисляется так:

Вт

б) При обрыве линейного или фазного провода в точке, А (см. рис.8) в работе оказываются только четыре нагревателя и включены они на четверть линейного напряжения, согласно зависимости мощности выделяемой на нагревательном элементе от подводимого напряжения получаем:

Вт

Все полученные данные сводим в таблицу 6.

Таблица 5. Сводная таблица.

4. Принципиальная электрическая схема автоматизации электрокалорифера

Электрокалориферные установки предназначены для подогрева воздуха в системах вентиляции на животноводческих и птицеводческих фермах, что способствует созданию в них оптимального микроклимата. Электрокалориферная установка типа СФОЦ рассчитана на питание от сети переменного трёхфазного тока с глухозаземлённой нейтралью напряжением 380 220 В. Схема соединения оребрённых трубчатых электронагревателей — «звезда». Установка состоит из центробежного вентилятора, унифицированного электрокалорифера типа СФО и шкафа управления с пускорегулирующей аппаратурой. Электрокалорифер и вентилятор смонтированы на сварной металлической раме. Для снижения вибрации предусмотрена установка виброизоляторов и мягкие вставки. В установке предусмотрено автоматическое регулирование мощности по температуре воздуха в вентилируемом помещении. Схема регулирования — позиционная, т. е. при достижении заданной температуры установка отключается, а при понижении температуры на определённый интервал снова включается. ТЭНы электрокалорифера секционированы на три ступени мощности, которые в процессе эксплуатации могут переключатся. Перключение осуществляется автоматически или вручную. Автоматическое переключение осуществляется по сигналам датчиков температуры, установленных в обогреваемом помещении. Положение датчиков в помещении определяется опытным путём при регулировании теплового режима установки.

Датчики устанавливаются на уровне 1.2 м от пола вдали от мест с резкими колебаниями температуры.

В схеме контроля предусмотрены блокировки и отключения нагревателей при остановке электродвигателя вентилятора, а также включение нагревателей при отключенном электродвигателе вентилятора. В утановке предусмотрено отключение нагревателей датчиком ТР-200 при повышении температуры на поверхности ТЭНов более 180 град. Во избежание прикосновения обслуживающего персонала к токоведущим частям, попадания капель воды на выводы нагревателей их размещают в коробках, закрытых крышками с резиновым уплотнением.

Данная схема предусматривает защиту от потери фазы в цепи электродвигателя при помощи токового реле КА, которое срабатывает при появлении тока в нулевом проводе. При его срабатывании оно своим нормальнозамкнутым контактом в цепи управления отключит катушку магнитного пускателя электродвигателя, отключив всю установку. А другим, нормальноразомкнутым контактом замкнёт цепь сигнальной лампы, сигнализирующая о неисправности. Кроме этого предусмотрена световая сигнализация подачи напряжения на щит управления HL1, работы секций нагрева HL2, HL3, HL4, и вентилятора HL5.

5. Техника безопасности при эксплуатации электрокалорифера

К эксплуатации допускаются электронагревательные установки заводского изготовления, соответствующие ГОСТу или техническим условиям. Применение установок кустарного производства запрещается.

Вновь вводимые или реконструируемые установки должны пройти приемо-сдаточные испытания в соответствии с требованиями ПТЭ электроустановок потребителей.

Монтаж, ремонт, техническое обслуживание выполняет только электротехнический персонал, ознакомленный с устройством установок, квалификационная группа по технике безопасности не ниже III.

Работы по техническому обслуживанию электротехнических установок выполняет электромонтер с квалификацией не ниже 4-го разряда.

В процессе работы электротехнических установок по назначению необходимо проводить их техническое обслуживание. Периодичность технического обслуживания установки и шкафа управления 2 мес.

Техническое обслуживание электротехнических установок проводят в определенной последовательности, то есть отдельно для электроводонагревателей с трубчатыми и электродными нагревателями.

Оболочки и ограждения, закрывающие токоведущие части, выполняют таким образом, чтобы их можно было открывать только при помощи специального инструмента или ключа.

Оборудование должно иметь защиту от коротких замыканий, а части, подлежащие занулению, должны быть снабжены специальным болтом для присоединения нулевого защитного проводника.

— Калориферы нельзя устанавливать в особо опасных помещениях. Для этого предусматривают специальные помещения.

— Оборудование для нагрева воды соединяют с трубопроводом ч/з изолирующие вставки (из резины, фторопласта). Сопротивление столба воды во вставке должно быть таким, чтобы напряжение прикосновения за вставкой даже в аварийном режиме не превышало 12 В.

— Трубопровод за вставкой присоединяют к нулевому проводу не менее чем в двух точках.

— Размещение оборудования должно соответствовать требованиям ПУЭ. Место установки выбирается проектной организацией или специализированной службой в соответствии с техническими условиями.

— Перед установкой необходимо проверить техническое состояние электроустановки на отсутствие механических повреждений корпуса, изоляторов и контактов.

— Корпуса всех элементных нагревателей присоединяют к нулевому проводу.

— Корпус установки можно изолировать от земли, заземленных частей и нулевого оборудования. При этом корпус установки необходимо оградить зануленной сеткой (расстояние сетки от корпуса оборудования не менее 1 метра, высота сетки — более 1.7 метра).

— Оболочка проводов и кабелей, присоединяемых непосредственно к нагревателям электроустановки, следует выполнять опрессовкой наконечников.

Библиографический список использованной литературы

Электрический нагрев и электротехнология./ Кудрявцев И. Ф., Коросенко В.А./ - Москва: Колос, 1975.-383с.

Электротехнологии /А.М. Басов и др. — Москва: Агропромиздат, 1985.-256с.

Электротехнологии /В.А. Коросенко и др. — Москва: Колос, 1992.-304с.

Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве / В. Н. Расстригин и др. — Москва: Агропромиздат, 1985.-304с.

Электротехнология и электрическое освещение./ Живописцев Е. Н., Косицин О. А. — Москва: Агропромиздат, 1990.-303с.

Гайдук В. Н. Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. Москва: Агропромиздат, 1989.-175с.

Курсовое и дипломное проектирование./ Каганов И. Л. — Москва: Агропромиздат, 1990.-351с.